ES2209738T3 - Metodo de soldadura fuerte de dos componentes de vidrio. - Google Patents

Abstract

Método de soldadura fuerte de dos piezas de vidrio borosilicato para obtener una unión estanca entre las dos piezas de vidrio, que comprende las etapas siguientes: - depositar una primera capa metálica sobre al menos una parte de la superficie de cada una de las piezas de vidrio que deben soldarse entre sí - depositar al menos una segunda capa metálica sobre dicha primera capa metálica depositada - insertar un elemento de soldadura de baja temperatura entre las superficies bimetálicas opuestas de las capas de las piezas de vidrio - presionar entre sí las dos piezas de vidrio y calentar el conjunto a una temperatura que permita la soldadura fuerte del elemento de soldadura, siendo dicha temperatura inferior al punto de fusión del vidrio.

Description

Método de soldadura fuerte de dos componentes de vidrio.

La presente invención se refiere a un método de soldadura fuerte de dos componentes de vidrio a baja temperatura (es decir, bajo temperatura de fusión del vidrio) con vistas a producir un recipiente estanco para encapsular componentes electrónicos. Más particularmente, el método de la presente invención puede aplicarse para la fabricación de un transductor de presión encapsulado en vidrio que pueda ser implantado a continuación en un cuerpo humano.

Otro objeto de la presente invención se refiere al recipiente de encapsulado obtenido con el método de fabricación.

Un objeto adicional de la invención se refiere a un transductor de presión encapsulado, implantable, según la enseñanza del método de fabricación.

El método de soldadura fuerte de componentes de vidrio se describirá en relación con la fabricación de un transductor de presión implantable, pero puede aplicarse obviamente a cualquier otro campo que requiera la soldadura fuerte, estanca, a baja temperatura, de dos componentes de vidrio para fabricar un dispositivo implantable, encapsulado en vidrio.

Muchas aplicaciones médicas requieren dispositivos de medición implantables; por ejemplo, la presión intracraneal es un parámetro clave para regular la velocidad de flujo en una derivación de un paciente hidrocefálico derivado. Una vez implantado, el transductor de presión puede conectarse inductivamente a una unidad de lectura que excite el transductor y permita la transmisión de datos correspondientes a la presión medida entre el transductor y la unidad de lectura.

Tales dispositivos o sistemas implantables, tales como los marcapasos, ya existen en el mercado y son generalmente componentes activos que tienen su propia fuente de energía. Están encapsulados en un recipiente de titanio que normalmente está herméticamente sellado gracias a una unión por láser.

Estos dispositivos existentes resultan difíciles de fabricar y el uso de un recipiente de titanio normalmente no es apropiado para transductores pasivos, que deben ser excitados por conexión inductiva gracias a una unidad de lectura externa.

La elección de encapsular componentes electrónicos en un recipiente de vidrio presenta muchas ventajas sobre la técnica anterior. Primero, el tipo de vidrio puede elegirse con un coeficiente de expansión que coincida con el del silicio y, por tanto, cuando se ejecuta la operación de sellado no se produce ninguna expansión diferencial entre el recipiente y las piezas electrónicas. El vidrio también es una buena barrera frente a los líquidos y, de este modo, forma un recipiente estanco una vez sellado. Además, el vidrio puede considerarse químicamente inerte y biocompatible y, por tanto, apropiado para una implantación a largo plazo en el cuerpo humano. También hay que destacar que el vidrio es permeable a las ondas RF, lo que permite el uso de telemetría pasiva una vez que el dispositivo se implanta en un cuerpo humano. El vidrio también es transparente a los rayos X lo que puede ser una ventaja o un requisito para los dispositivos médicos implantados.

Con el fin de no dañar los componentes electrónicos encapsulados en el recipiente de vidrio, la soldadura fuerte debería realizarse a baja temperatura, preferiblemente a menos de 200 grados Celsius. El recipiente resultante también debería ser estanco y tener una resistencia mecánica apropiada a las tensiones.

El objetivo de la presente invención es solucionar estos problemas proporcionando un método de soldadura fuerte de dos componentes de vidrio a baja temperatura con el fin de formar un recipiente apropiado para encapsular componentes electrónicos.

Dicho objetivo se alcanza mediante un método que presenta las características expuestas en la reivindicación 1. El recipiente de vidrio herméticamente sellado resultante es el objeto de la reivindicación 11.

Otras características adicionales y objetivos y ventajas de esta invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, realizada con referencia a los dibujos adjuntos que ilustran, de manera esquemática y no limitativa, una realización de un transductor de presión encapsulado.

La figura 1 es una vista en perspectiva en despiece de un transductor de presión encapsulado.

La figura 2 es una vista en perspectiva del transductor de presión encapsulado ilustrado en la figura 1, una vez sellado el recipiente.

La figura 3 es una vista en perspectiva en despiece de una realización alternativa de la placa base del transductor de presión encapsulado.

A continuación se describirá con detalle el método de soldadura fuerte de dos componentes de vidrio a baja temperatura. El objetivo es la soldadura fuerte de dos piezas realizadas en un vidrio borosilicato, por ejemplo, del tipo Pyrex, con una soldadura de baja temperatura, de manera que la unión resultante sea estanca (sin burbujas y distribuida uniformemente) y suficientemente fuerte para las aplicaciones previstas. Esto se logra depositando, en primer lugar, una primera capa metálica delgada en al menos una parte de la superficie de vidrio borosilicato. El grosor de la capa está comprendido entre 50 y 150 nanómetros, preferiblemente 100 nanómetros (nm). La primera capa metálica puede elegirse entre cualquier elemento metálico siempre que presente una buena adherencia al vidrio. El titanio y el cromo son ejemplos de materiales que pueden depositarse sobre el vidrio como una primera capa. Esta primera capa metálica puede depositarse mediante técnicas conocidas, tal como la deposición física por vapor (PVD) o cualquier otro método que permita la deposición de una capa metálica sobre un sustrato de vidrio. A continuación, una segunda capa metálica apropiada para realizar la operación de soldadura fuerte se deposita sobre la primera capa metálica, teniendo esta capa un grosor comprendido entre 2 y 10 micras (\mum), preferiblemente 5 micras (\mum). La segunda capa metálica puede elegirse entre cualquier metal que no se oxide. Para formar esta segunda capa metálica pueden utilizarse distintos metales, tal como por ejemplo, oro (Au), plata (Ag), níquel (Ni) o acero inoxidable. Las operaciones anteriormente mencionadas se realizan en la parte de vidrio borosilicato correspondiente a la que la primera pieza ha de soldarse fuertemente. Una tercera capa metálica opcional puede depositarse sobre la segunda capa, presentando dicha tercera capa las mismas propiedades que la segunda capa. Por razones de coste, el método preferido sólo utiliza dos capas metálicas, pero los resultados serían idénticos si se depositaran más de dos capas.

La siguiente etapa consiste en colocar un elemento de soldadura a baja temperatura entre las dos segundas capas de las piezas de vidrio borosilicato respectivas y en calentar el conjunto en un horno para que se produzca la soldadura fuerte.

Puede utilizarse cualquier soldadura de baja temperatura, siempre que este elemento de soldadura sea compatible con la segunda capa metálica, presente una buena absorbencia y esté libre de burbujas. Ejemplos de soldadura que pueden utilizarse como un elemento de soldadura para soldar fuertemente los dos componentes de vidrio son InAg, AgPbSn, SnBi, SnZn o SnInZn.

Los materiales de soldadura preferidos son soldaduras a baja temperatura, tales como In97Ag3 o Sn77.2In20Ag2.8, cuyos puntos de fusión son 143ºC y 187ºC respectivamente. El espesor óptimo de la soldadura está entre 50 y 100 micras (\mum).

A continuación, el conjunto se calienta en un horno a una temperatura de aproximadamente 200ºC durante un tiempo comprendido entre 1 y 15 minutos, preferiblemente 5 minutos.

Para aplicaciones médicas tales como la fabricación de dispositivos de vidrio encapsulados, se prefiere el uso de una soldadura fuerte de SnInAg, porque la temperatura de esterilización por vapor (frecuentemente 132ºC) está muy próxima al punto de fusión del InAg.

Como una alternativa, el elemento de soldadura puede depositarse sobre la segunda capa o bien sobre un elemento, o bien sobre ambos elementos a soldar fuertemente.

Los ensayos han demostrado que los resultados óptimos se obtuvieron con una primera capa de titanio, una segunda capa de oro y una soldadura de SnInAg (espesor de 50-100 \mum) y con un calentamiento durante 5 minutos a una temperatura de 200ºC en un horno bajo atmósfera de helio. En el conjunto resultante, la soldadura fuerte estaba distribuida uniformemente y libre de burbujas y, por tanto, era totalmente estanca. La unión entre las dos piezas de vidrio borosilicato también presentó buenas características mecánicas bajo tensiones.

Haciendo ahora referencia a la figura 1, se muestra un recipiente para encapsular un sensor de presión. Por motivos de claridad, en los dibujos adjuntos sólo se muestra el transductor de presión y no los otros componentes electrónicos que pueden instalarse en cualquier parte dentro del recipiente de vidrio. El recipiente comprende una placa 1 base circular realizada en vidrio borosilicato, tal como Pyrex, a la que está unido un transductor 2 de presión. La unión del transductor de presión sobre la placa 1 base puede lograrse mediante técnicas conocidas tales como la unión anódica. Estas técnicas conocidas permiten la unión de un componente de silicio, tal como un transductor de presión, a una superficie de vidrio y no se describirán en detalle en la presente solicitud. La placa 1 base comprende un orificio 3 (véase la figura 3) y el transductor de presión está unido a la placa 1 base de manera que la membrana del transductor 2 de presión esté situada frente al orificio 3. Adicionalmente, el recipiente comprende una cubierta 4 cilíndrica cerrada que tiene una dimensión radial correspondiente a la placa 1 base para formar un recipiente o cápsula una vez sellada sobre la placa base.

La placa 1 base comprende una capa 5 bimetálica sobre al menos una parte de su superficie. Esta capa 5 bimetálica forma, en el ejemplo mostrado, un anillo delgado situado sobre un diámetro exterior de la placa 1 base. La capa 5 bimetálica está compuesta de una primera capa de titanio, sobre la que se ha depositado una segunda capa de oro. El grosor de las dos capas es aquél mencionados en la descripción anterior.

El borde 6 inferior de la cubierta 4 también comprende una parte de su superficie, formando un anillo sobre el que está depositada una capa bimetálica de la misma composición. Para sellar el recipiente, encapsulando de este modo el transductor 2 de presión, se inserta un anillo 7 de soldadura fuerte de soldadura de baja temperatura, hecho por ejemplo de SnInAg, entre la placa 1 base y la cubierta 4; a continuación, la cubierta 4 se empuja contra la placa 1 base para cerrar el recipiente.

A continuación, este conjunto, mostrado en la figura 2, se calienta durante 5 minutos en un horno, bajo una atmósfera de helio, para realizar la soldadura fuerte entre las dos superficies bimetálicas situadas sobre la placa 1 base y en la parte inferior de la cubierta 4. El recipiente resultante contiene el transductor 2 de presión y otros componentes electrónicos opcionales en un recipiente estanco de vidrio.

La figura 3 muestra una realización alternativa del dispositivo encapsulado, en el que el transductor 2 de presión no está directamente unido a la placa 1 base, sino a un soporte 8 de vidrio. El soporte 8 puede estar realizado en un vidrio borosilicato, tal como Pyrex por ejemplo. En esa realización, el transductor 2 de presión puede estar unido al soporte 8 de Pyrex al nivel de la oblea (antes de cortar la oblea) mediante una unión anódica convencional. A continuación, el soporte 8 y la placa 1 base se sueldan fuertemente entre sí según el método anteriormente descrito. Con ese fin, se deposita una primera capa metálica, de titanio por ejemplo, sobre al menos una parte de la cara superior de la placa 1 base y en la superficie inferior correspondiente del soporte 8. A continuación, sobre las primeras capas metálicas se deposita una segunda capa metálica, por ejemplo de oro. A continuación, se intercala un elemento de soldadura fuerte de baja temperatura, que tiene una forma y dimensión correspondientes a las capas bimetálicas anteriormente mencionadas, entre la placa 1 base y el soporte 8. La soldadura fuerte se realiza cuando el conjunto se calienta, y permite la unión tanto de la cubierta 4 a la placa 1 base como del soporte 8 a la placa 1 base. En esa realización, el soporte 8 de vidrio comprende un orificio 9 central correspondiente al orificio 3 central de la placa 1 base. El transductor 2 de presión se une primero al soporte 8 de vidrio, de manera que la membrana del transductor 2 a presión se coloque sobre el orificio 9 central. A continuación, el soporte 8 se coloca de manera que el orificio 9 en el soporte 8 y el orificio 3 en la placa 1 base coincidan en al menos una parte de sus superficies abiertas. En el transductor de presión encapsulado resultante, el líquido puede interactuar sobre la membrana del transductor de presión a través del orificio de la placa 1 base y del orificio del soporte 8 de vidrio.

En la descripción anterior, se ha hecho referencia a la fabricación de un transductor de presión implantable, pero muchos otros dispositivos implantables (una microbomba, un sensor de flujo, un sensor químico) pueden encapsularse en un recipiente estanco de vidrio utilizando el mismo método de fabricación, y el alcance de la invención reivindicada no está limitado al transductor de presión anteriormente descrito.

Evidentemente, la forma y dimensiones de la placa 1 base y de la cubierta 4 correspondiente también pueden ser distintas al del ejemplo cilíndrico mostrado en la figura 2. Dependiendo de la aplicación deseada, el recipiente puede conformarse por ejemplo como un cubo, una esfera o cualquier otro volumen realizado a partir de dos partes correspondientes que puedan conectarse entre sí para formar un recipiente cerrado.

Este método de encapsulación en un recipiente de vidrio es particularmente apropiado para fabricar dispositivos médicos implantables conectados de manera inductiva. El uso de un material económico constituye una ventaja, y los recipientes resultan más fáciles y económicos de fabricar que los recipientes de titanio existentes.

Claims (11)

1. Método de soldadura fuerte de dos piezas de vidrio borosilicato para obtener una unión estanca entre las dos piezas de vidrio, que comprende las etapas siguientes:

- depositar una primera capa metálica sobre al menos una parte de la superficie de cada una de las piezas de vidrio que deben soldarse entre sí

- depositar al menos una segunda capa metálica sobre dicha primera capa metálica depositada

- insertar un elemento de soldadura de baja temperatura entre las superficies bimetálicas opuestas de las capas de las piezas de vidrio

- presionar entre sí las dos piezas de vidrio y calentar el conjunto a una temperatura que permita la soldadura fuerte del elemento de soldadura, siendo dicha temperatura inferior al punto de fusión del vidrio.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento de soldadura se deposita sobre la segunda capa de al menos una de las piezas de vidrio que deben ser objeto de soldadura fuerte.

3. Método según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grosor de la primera capa metálica está comprendido entre 50 y 150 nanómetros, preferiblemente 100 nanómetros (nm), y porque el grosor de la segunda capa metálica está comprendido entre 2 y 10 micras (\mum), preferiblemente 5 micras (\mum).

4. Método según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera capa metálica está realizada en titanio, la segunda capa metálica en oro, y porque el elemento de soldadura de baja temperatura está realizado en SnInAg en las siguientes proporciones: Sn al 77,2%, In al 20%, Ag al 2,8%.

5. Método según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el calentamiento se realiza en un horno bajo atmósfera de helio a una temperatura de aproximadamente 200ºC durante un periodo comprendido entre 1 y 15 minutos, preferiblemente 5 minutos.

6. Método de encapsulación de componentes electrónicos en un recipiente de vidrio realizado a partir de al menos dos elementos correspondientes que pueden unirse entre sí para formar un recipiente cerrado, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

- depositar una primera capa metálica sobre al menos una parte del primer elemento

- depositar al menos una segunda capa metálica encima de dicha capa metálica

- depositar dichas primera y segunda capas sobre la superficie correspondiente del segundo elemento que forma el recipiente

- disponer los componentes electrónicos dentro del recipiente

- insertar un elemento de soldadura de baja temperatura entre los dos elementos correspondientes del recipiente, y

- calentar el conjunto.

7. Método de encapsulación según la reivindicación 6, caracterizado porque el recipiente comprende una placa base y una cubierta cilíndrica correspondiente realizada en un vidrio borosilicato y porque la primera capa metálica depositada está realizada en titanio, la segunda capa en oro, y porque la soldadura está realizada en SnInAg.

8. Dispositivo médico implantable, caracterizado porque los componentes electrónicos del mismo están encapsulados en un recipiente de vidrio que comprende dos piezas que han sido sometidas a soldadura fuerte entre sí según el método de la reivindicación 1 para formar un recipiente estanco.

9. Sensor de presión implantable, caracterizado porque comprende un transductor de presión unido a una placa base de vidrio borosilicato que presenta un orificio en una parte de su superficie y porque una cubierta de vidrio borosilicato ha sido objeto de soldadura fuerte a baja temperatura con la placa base, según el método expuesto en una de las reivindicaciones 1 a 5, para sellar de manera estanca la cubierta sobre la placa base.

10. Sensor de presión implantable según la reivindicación 9, caracterizado porque el transductor de presión está unido a un soporte de vidrio borosilicato y porque el soporte ha sido objeto de soldadura fuerte según el método de la reivindicación 1 con la placa base de un recipiente de vidrio borosilicato que comprende una placa base y una cubierta correspondiente.

11. Recipiente de vidrio para encapsular componentes electrónicos con vistas a implantarse en un cuerpo animal o humano, caracterizado porque comprende un primer elemento y un elemento de cubierta correspondiente, que han sido objeto de soldadura fuerte entre sí según el método de la reivindicación 1.